對某尾礦庫泥石流防治措施的探討

施燦海，孫高月，黃喬云，陳 旭

(1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

mitigation

0 引 言

泥石流作為山區(qū)一種突發(fā)性的自然災(zāi)變過程和現(xiàn)象，早在地質(zhì)時期就已存在并發(fā)展著，當(dāng)這種災(zāi)變過程與人類的生產(chǎn)活動發(fā)生聯(lián)系，造成財產(chǎn)損失乃至人生傷亡時，才被視為災(zāi)害。東川泥石流的研究始于20世紀(jì)50年代，以“泥石流的天然博物館”蔣家溝泥石流為代表的研究和治理取得了豐厚的成果。東川礦業(yè)開發(fā)歷史悠久，尾礦庫的建設(shè)及安全運行卻歷來是當(dāng)?shù)氐V山企業(yè)面臨的一個難題。因此，中小型泥石流溝內(nèi)已建尾礦庫泥石流防治措施的研究是一個值得探討和實踐的重要課題。

泥石流溝內(nèi)尾礦庫的災(zāi)害防治研究成果和工程實踐較少，但其對于尾礦庫壩體和排洪系統(tǒng)的安全運行是一個關(guān)鍵因子。泥石流災(zāi)害治理方面，巴里新尾礦庫提出了消除庫區(qū)流域泥石流災(zāi)害隱患的治理方案和降低泥石流發(fā)生可能的措施；后溝尾礦庫對泥石流采用“攔、固、排及局部支擋”的方案。在泥石流地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，采用排洪系統(tǒng)雙進(jìn)口方案并整體避讓泥石流溝谷危險區(qū)范圍布置的方法，增大系統(tǒng)安全度。泥石流災(zāi)害易損性評價方面，研究建立了云鎳尾礦庫地質(zhì)災(zāi)害易損性評價指標(biāo)和分級分區(qū)系統(tǒng)。

該文以某尾礦庫為研究對象，在專項泥石流勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合溝內(nèi)地形地質(zhì)條件，借鑒研究人員泥石流防治成功經(jīng)驗。通過在已建排洪設(shè)施上游新增攔擋壩和庫區(qū)泥石流影響范圍內(nèi)設(shè)置谷坊壩群，形成人工階梯-地形蓄泥消能系統(tǒng)，探討地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)尾礦庫安全運行中遇到的泥石流防治措施問題。

1 尾礦庫概況

某已建尾礦庫所在溝谷為中小型泥石流沖溝，工程場地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震基本加速度值為0.30 g(第三組)。尾礦庫溝谷為構(gòu)造侵蝕地貌，地形條件可形成較大庫容，交通方便，庫區(qū)及周邊2.0 km范圍內(nèi)無居民點，周邊環(huán)境條件較簡單，因不良地質(zhì)作用及地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，對尾礦庫的壩體和排洪設(shè)施安全運行造成了不利影響。

尾礦庫初期壩高60 m，堆積壩高48 m，總壩高108 m，全庫容1 200萬 m3，設(shè)計等別二等。庫外排洪設(shè)施采用擋水壩+排洪隧洞；庫內(nèi)排洪設(shè)施采用排水井+排水管。

該尾礦庫原設(shè)計采取的泥石流防治措施是整體避讓下游堆積區(qū)(危險區(qū))。由于上游未設(shè)置泥石流防治措施，在尾礦庫運行過程中，庫外排洪設(shè)施擋水壩壩前和排洪隧洞進(jìn)口淤堵較為嚴(yán)重、排洪隧洞底板不同程度沖刷受損，見圖1。為確保尾礦庫排洪設(shè)施安全運行和壩體安全，必需增設(shè)泥石流防治措施。

圖1 排洪隧洞上游、進(jìn)口位置淤堵及底板沖刷圖Fig.1 Picture of clogging of the upstream and inlet of the flood drainage tunnel and floor scour

2 泥石流專項勘查

該地地處小江地震帶，區(qū)內(nèi)幾乎所有溝谷都有不同程度的泥石流發(fā)育。為解決尾礦庫安全設(shè)施運行過程中面臨的泥石流災(zāi)害防治問題，需查明泥石流規(guī)模和特性，清水匯流區(qū)、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)的分布情況，松散固體物源總儲量和可移動物源量等，作為泥石流防治措施設(shè)計支撐。

2.1 泥石流活動分區(qū)特征

尾礦庫工程所在泥石流溝清水匯流區(qū)(A)7.5 km3，形成區(qū)(B)16 km3，流通區(qū)(C)5.0 km3，堆積區(qū)(D)0.5 km3，分區(qū)見圖2。清水匯流區(qū)和形成區(qū)對應(yīng)泥石流危險性分區(qū)的影響區(qū)，流通區(qū)對應(yīng)泥石流災(zāi)害危險區(qū)，堆積區(qū)對應(yīng)泥石流災(zāi)害極危險區(qū)。

泥石流形成、流通、堆積交替發(fā)生，具有流通區(qū)、堆積區(qū)混合分布，非暴雨時多為堆積，暴雨時沖刷揭底，流通堆積相互動態(tài)轉(zhuǎn)換，并順序緩慢向下游推移的分區(qū)特征。

圖2 泥石流分區(qū)圖Fig.2 Diagram of debris flow zoning

2.2 泥石流形成機理

溝谷兩岸崩坡積層碎塊石進(jìn)入溝谷，在洪水沖蝕下，造成崩坡積物產(chǎn)生塌岸，進(jìn)入溝道內(nèi)。由于溝谷狹窄導(dǎo)致沖淤積物堵塞溝道，形成小堰塞后潰決，大量洪水迅猛而下，引發(fā)泥石流。該泥石流溝只有在暴雨強度大、物源充足等各種利于泥石流發(fā)生的因素耦合作用才會產(chǎn)生。

總而言之，尾礦庫所在沖溝滿足了泥石流形成的地形、物源和水源條件。

2.3 泥石流特性

泥石流為溝谷泥石流，固體物多在溝谷下游段堆積，沿溝谷呈帶狀堆積，未進(jìn)入下游河道，溝口地段形成了較明顯的泥石流堆積扇，最大塊石粒徑1.0 m，見圖3。

圖3 堆積區(qū)泥石流堆積扇Fig.3 Debris flow fan in the accumulation area

經(jīng)計算，泥石流流體密度1.55 t/m3，固體密度值2.60 t/m3，屬暴雨型高頻泥石流，為發(fā)展期泥石流，主溝道正常年份以洪水沖刷為主，泥石流爆發(fā)年則以淤積為主。

泥石流溝屬稀性泥石流，流速計算值4.04 m/s，沖擊力2.8 kPa，最大沖起高度0.83 m，受阻爬起高度1.33 m，下游河段彎道超高計算結(jié)果為0.24 m。

溝道總體以陡坡為主，分布區(qū)巖層以軟巖為主，物源中大漂石、漂礫很少，流域溝谷無卡口，溝道總體上比較順直，流通區(qū)無崩塌、滑坡發(fā)育，總體上其為不易堵潰型泥石流。

2.4 泥石流溝現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

該泥石流溝無系統(tǒng)的防護(hù)工程，受災(zāi)對象為尾礦庫?，F(xiàn)狀尾礦庫擋水壩壩體完好，排洪隧洞結(jié)構(gòu)完整，整體穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)滑移、傾覆、揭底等現(xiàn)象，溝道及擋水壩壩前有泥石流堆積物堆積。

流域內(nèi)近幾年來加大了生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與恢復(fù)，潛在的崩塌體等不良地質(zhì)作用及災(zāi)害也得到有效遏制，未來發(fā)生大規(guī)模泥石流的概率呈下降趨勢。

3 泥石流防治設(shè)施設(shè)計

按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，尾礦庫所在溝谷泥石流防治工程安全等級為一級，泥石流災(zāi)害防治主體工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇降雨強度。經(jīng)計算，匯水面積內(nèi)一次泥石流總量14 913 m3，固體質(zhì)量3 728m3，按該數(shù)值進(jìn)行防治工程措施的設(shè)計。在2號擋水壩上游180 m和490 m位置(泥石流流通區(qū))分別設(shè)置1#和2#攔擋壩作為主控措施，以攔蓄泥石流固體物質(zhì)為主要目的，并兼有調(diào)蓄洪峰流量、調(diào)控泥石流規(guī)模的功能。

在庫區(qū)及泥石流形成區(qū)沖溝設(shè)置谷坊群，共計14道谷坊壩，控制溝床侵蝕，保護(hù)溝道及岸坡穩(wěn)定。庫區(qū)內(nèi)設(shè)置2道臨時防護(hù)谷坊壩，尾礦庫安全設(shè)施影響范圍內(nèi)泥石流形成區(qū)沖溝設(shè)置12道谷坊壩。泥石流防治設(shè)施設(shè)置情況見表1、圖4。

根據(jù)運行過程中攔擋壩壩前泥石流淤積情況，采取清淤措施以確保泥石流防治主控措施攔擋壩切實發(fā)揮效用。

圖4 泥石流防治措施平面布置圖Fig.4 Layout of debris flow prevention and control

表1 泥石流防治設(shè)施Tab.1 Debris flow control facilities

3.1 攔擋壩設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)行泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范，針對泥石流治理，在地形較好的流通區(qū)地帶，采用可靠的攔擋壩等，以攔載水沙，改變輸水輸沙條件和穩(wěn)定溝谷；最終達(dá)到降低河床坡降，減緩泥石流流速，抑制上游河段縱、橫向侵蝕，保證下游設(shè)施安全的目的。除此之外，充分考慮利用溝谷內(nèi)現(xiàn)有地形，攔擋壩形成人工階梯，并利用地形蓄泥消能，綜合利用人工消能結(jié)構(gòu)和自然消能結(jié)構(gòu)，保障下游尾礦庫的安全建設(shè)和運行。

為有效攔擋庫外泥石流，增加排洪系統(tǒng)的安全度，設(shè)置泥石流攔擋設(shè)施。經(jīng)項目泥石流專項勘查資料分析，在泥石流流通區(qū)設(shè)置2座攔擋壩作為主控措施。

攔擋壩及副壩壩型為C25毛石混凝土重力壩，壩基以③全風(fēng)化-強風(fēng)化板巖為持力層。攔擋泥石流量及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

1#攔擋壩壩前有一凹地，可充分利用其成為人工階梯-地形蓄泥消能系統(tǒng)的組成部分。1#攔擋壩詳見圖5。

表2 攔擋壩攔擋泥石流量及結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.2 Capacity and structural parameters of the mudslide dam

(a)平面布置圖

(b)縱斷面圖 (c)橫斷面圖

2#攔擋壩下游地形平緩，采用副壩消能工形成壩下消能，副壩與主壩重疊高度H′，計算公式如下：

式中：

H——副壩重疊高度(m)，Hc為溢流口上泥深/m；

經(jīng)計算，副壩與2#攔擋壩重疊高度為4 m。

主、副壩間的距離L，計算公式如下：

式中：

L——主、副壩間距。

經(jīng)計算，副壩與2#攔擋壩間距為24 m。2#攔擋壩和消能副壩形成消能工和地形綜合消能，將泥石流爆發(fā)年形成的泥石流在2#攔擋壩內(nèi)淤積消能后剩余泥石流進(jìn)入1#攔擋壩進(jìn)行二次淤積消能。如此，將設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下尾礦庫上游泥石流流通區(qū)泥石流全部攔擋，攔擋過程“水石分離”，提高尾礦庫排洪系統(tǒng)安全度。

副壩壩高4 m，頂寬2 m，上、下游坡比1∶0.2和1∶0.6，見圖6。

攔擋壩穩(wěn)定計算內(nèi)容包括壩體抗滑穩(wěn)定分析及抗傾覆穩(wěn)定分析，均按現(xiàn)行規(guī)范要求進(jìn)行計算。計算公式為：

式中：

kc——抗滑安全系數(shù)；

k0——抗傾覆安全系數(shù)，可根據(jù)防治工程安全等級及荷載組合取值；

∑N——垂直方向作用力的總和(kN)；

∑P——水平方向作用力的總和(kN)；

f——壩底與基巖之間的摩擦系數(shù)；

∑MN——抗傾覆力矩的總和(kN·m)；

∑MP——傾覆力矩的總和(kN·m)。

經(jīng)計算，攔擋壩穩(wěn)定計算結(jié)果見表3。

運用RCA分析處理后,杜絕了住院患者跌倒墜床事件的發(fā)生,有效地保障了患者住院安全。2016年1月-6月,科內(nèi)無住院患者跌倒墜床事件發(fā)生,達(dá)到了護(hù)理質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)。

(a)2#攔擋壩和消能副壩平面布置圖 (b)2#攔擋壩縱斷面圖

(c)2#攔擋壩和消能副壩橫斷面圖 (d)消能副壩縱斷面圖

表3 攔擋壩體穩(wěn)定計算結(jié)果Tab.3 Calculation of blocking dam stability

根據(jù)表3計算結(jié)果，壩體穩(wěn)定計算抗滑和抗傾覆安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。在滿足安全生產(chǎn)管理條件下，壩體可穩(wěn)定運行。

3.2 谷坊壩群設(shè)計

谷坊壩設(shè)置以護(hù)坡固床為主，壩址選擇在地形狹窄、岸坡較穩(wěn)定、攔擋庫容較大，對不良地質(zhì)體和強烈侵蝕溝段有控制作用的部位。同時，充分利用溝谷地形，使得谷坊壩群和溝谷地形成為人工階梯-地形蓄泥消能系統(tǒng)，固床和消能共同作用。

庫區(qū)內(nèi)設(shè)置2道臨時防護(hù)谷坊壩，尾礦庫安全設(shè)施影響范圍內(nèi)泥石流形成區(qū)沖溝設(shè)置12道谷坊壩。1#～8#谷坊壩攔擋泥石流量及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4。

除此之外，在2#攔擋壩上游增設(shè)6道谷坊壩，共同組成谷坊壩群，起到攔砂固床和地形消能的效果，減緩沖溝繼續(xù)下切和泥石流暴發(fā)時的沖擊力。9#～14#谷坊壩壩高為4 m，采用鋼筋石籠堆筑成堤壩斷面形狀，結(jié)構(gòu)參數(shù)同6#～8#谷坊壩，具體布置位置見圖4。

為確保泥石流防治措施固床和消能的設(shè)計要求，需根據(jù)尾礦庫運行情況及實施效果監(jiān)測資料，對該次實施的谷坊壩內(nèi)及時清淤或上游新增谷坊壩。

表4 谷坊壩攔擋泥石流量及結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.4 Capacity and structural parameters of debris check dam

3.3 泥石流防治措施監(jiān)測

為確保治理工程施工能夠安全順利地進(jìn)行，同時檢驗防治工程的實際效果，建立完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)極為重要，能及時的掌握治理工程施工過程中和施工完成后，泥石流的發(fā)展趨勢和緩減情況。泥石流防治措施監(jiān)測按規(guī)范要求設(shè)計，并納入尾礦庫工程整體監(jiān)測系統(tǒng)，人工和在線監(jiān)測相結(jié)合。

泥石流防治措施監(jiān)測包含：施工期監(jiān)測、防治效果監(jiān)測。其中，防治效果監(jiān)測的主要內(nèi)容有：①主體工程監(jiān)測；②雨量監(jiān)測；③松散固體物質(zhì)演變監(jiān)測；④對泥石流的頻率、流量及泥石流流量變化監(jiān)測。

3.4 工程防治效果預(yù)期

(1)物源控制情況

防治措施可將沖溝內(nèi)大部分泥石流固體物源攔截在中上游區(qū)域，降低泥石流的水動力條件，減小泥石流流體密度，調(diào)節(jié)泥石流下泄峰量和固體物質(zhì)總量，對泥石流起削弱調(diào)節(jié)作用。通過對物源的控制，并將物源啟動方式由集中啟動轉(zhuǎn)化為分散啟動。

(2)重度調(diào)節(jié)情況

防止措施可調(diào)節(jié)泥石流流體重度，也即泥沙修正系數(shù)的減小。隨著穩(wěn)攔工程的作用，可參與泥石流活動的松散固體物質(zhì)減少，而啟動泥石流的水源條件不變。因此，流體重度相應(yīng)減小，隨著泥石流向下游運動，由于攔擋工程的攔蓄和消能作用，泥石流流體重度進(jìn)一步削弱。

(3)防治目標(biāo)效果分析

攔擋壩+谷坊壩群形成人工階梯-地形蓄泥消能系統(tǒng)，減少固體物質(zhì)，降低泥石流的重度，做到因災(zāi)設(shè)防，有針對性的保護(hù)了尾礦庫安全設(shè)施。

4 結(jié) 語

(1)為緩解中小型泥石流溝內(nèi)已建尾礦庫排洪設(shè)施泥石流堆積物淤堵和沖刷的問題，設(shè)置主控設(shè)施攔擋壩，對泥石流起到“水石分離”和“攔”的作用，配套設(shè)置谷坊壩群起到“固”的作用，降低了泥石流爆發(fā)年對下游尾礦庫的沖擊和排洪系統(tǒng)的淤堵風(fēng)險。

(2)攔擋壩和谷坊壩群均可形成人工階梯，利用其周邊地形空間形成地形蓄泥消能，組合形成人工階梯-地形蓄泥消能系統(tǒng)。

(3)攔擋壩+谷坊壩群的泥石流防治措施，物源控制、重度調(diào)節(jié)和防治目標(biāo)效果評價滿足工程防治的要求。

(4)人類工程活動是促進(jìn)泥石流發(fā)展的外因。因此，在尾礦庫安全設(shè)施及泥石流防治設(shè)施運行過程中，還需加大封山育林、禁伐禁牧的管理力度以恢復(fù)植被、控制水土流失。